耐候H型鋼關(guān)鍵技術(shù)控制

濤雅，卜向東，馮巖青，呂剛，宋振東

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司技術(shù)中心，內(nèi)蒙古 包頭014010）

耐候鋼又稱耐大氣腐蝕鋼，是在普通鋼基中添加少量的 Cu、P、Cr、Ti、Ni等合金元素而制成的一種低合金結(jié)構(gòu)鋼。目前，耐候鋼的生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用在國外已趨于成熟和完善，從鋼種開發(fā)到應(yīng)用及設(shè)計施工等方面都有較詳細(xì)的規(guī)定。與國外相比，我國耐候鋼的研制起步較晚，但隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，耐候鋼已引起國內(nèi)有關(guān)部門的關(guān)注[1]。H型鋼與其它型材相比，是一種截面面積分配及強(qiáng)重比更加合理的高效型材，其在各個方向上的抗彎能力都較強(qiáng)，且具有施工簡單、節(jié)約成本和結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)點(diǎn)。耐候H型鋼用于制造鐵道車輛中側(cè)梁，可使車輛車體自重減輕，承載能力增大，減少車輛在大氣中的腐蝕，明顯提高車輛的使用壽命。同時，耐候H型鋼也是一種具有廣闊前景的綠色鋼材[2]，與涂層法防腐相比，能夠減少環(huán)境污染。本文針對異型坯生產(chǎn)耐候H型鋼的技術(shù)難點(diǎn)，提出在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對連鑄、加熱以及軋制等工藝進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)控制，避免鑄坯表面裂紋以及成品H型鋼表面裂紋的產(chǎn)生，最終生產(chǎn)出具有穩(wěn)定的低溫沖擊韌性及耐腐蝕性能的耐候H型鋼。

1 耐候H型鋼的種類及化學(xué)成分

根據(jù)耐候鋼性能特點(diǎn)，耐候H型鋼可分為兩類：

（1）優(yōu)先考慮其耐大氣腐蝕性能時，鋼種的耐腐蝕合金元素以Cu-P為基礎(chǔ)，含有0.06%～0.15%的P，稱為高耐候性鋼，其主要用于車輛、塔架、建筑等機(jī)構(gòu)中，如 Q345NQR2、Q355GNH，它們的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示。

（2）兼顧其耐大氣腐蝕性能及焊接性能時，需限制P的含量，一般規(guī)定P含量低于0.030%，其主要用于橋梁、建筑等大型焊接結(jié)構(gòu)中，如Q420NQR1、Q355NH，它們的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表2所示。

表1 Q345NQR2、Q355GNH的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 Q420NQR1、Q355NH的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2 耐候H型鋼生產(chǎn)工藝路線

高爐鐵水→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→（VD真空脫氣）→異型坯連鑄機(jī)→上料→步進(jìn)加熱爐→高壓水一次除磷→BD開坯→CCS萬能軋制→熱鋸→步進(jìn)冷床冷卻→矯直→鋸切→外形、表面質(zhì)量檢查→打包→入庫、外發(fā)。

3 耐候H型鋼關(guān)鍵技術(shù)控制

3.1 耐候H型鋼與普通H型鋼關(guān)鍵技術(shù)控制差異

耐候H型鋼與普通H型鋼關(guān)鍵技術(shù)控制的差異如表3所示。

3.2 異型坯生產(chǎn)耐候鋼鑄坯表面質(zhì)量控制

由于耐候鋼的C含量處于包晶反應(yīng)區(qū)，且鋼中Cu和P含量高，結(jié)晶過程中易發(fā)生偏析，使鋼的晶界脆化，高溫塑性變差，表面裂紋敏感性增強(qiáng)，坯殼易與結(jié)晶器銅板發(fā)生粘連，從而產(chǎn)生鑄坯表面裂紋及粘結(jié)漏鋼[3]。同時，為保證耐候鋼的強(qiáng)度，鋼中需添加V、N、Al等元素，這些元素在凝固過程中在晶界富集析出，會降低鋼的高溫延展性[4]，易導(dǎo)致鑄坯橫裂紋的產(chǎn)生。

為避免鑄坯表面裂紋及漏鋼的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)鋼種成分及連鑄工藝控制：① 控制鋼中[N]含量≤120×10-6，鋼水[H]含量≤2.0×10-6，控制 Al含量在0.030%以下，Cu/Ni不小于0.8；② 連鑄過程中采用雙水口全保護(hù)澆注，選用粘度及熔點(diǎn)較高且性能較穩(wěn)定的保護(hù)渣；③控制鋼水過熱度在30～35℃，杜絕絮流，控制液位波動，進(jìn)而保證拉速穩(wěn)定；二冷采用弱冷制度，減小熱應(yīng)力，保證入拉轎機(jī)前的鑄坯溫度；鑄坯切割后及時下線緩冷；④結(jié)晶器對弧精度≤0.1 mm。

表3 耐候H型鋼與普通H型鋼關(guān)鍵技術(shù)控制的差異

3.3 含銅H型鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量的控制

銅脆主要是由于高溫加熱時，鋼材表面發(fā)生氧化，銅元素富集于鑄坯機(jī)體與氧化層之間造成的。鑄坯表面殘余銅元素的富集量由鋼材加熱時間決定，加熱時間越長，銅元素富集越多。鑄坯加熱至銅的熔點(diǎn)（1 083℃）以上時，表面富集的銅將由鑄坯表面沿著晶界向基體內(nèi)部浸潤。同時，富銅的奧氏體晶界氧化也變得相當(dāng)嚴(yán)重，并沿晶界擴(kuò)散形成氧化物層，再從氧化物層沿整個基體向內(nèi)擴(kuò)散，形成若干彌散的鐵錳硅酸鹽細(xì)顆粒，使富集層的晶界強(qiáng)度更低，造成基體與表面之間的結(jié)合更為松脆，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的銅裂[5]。

為避免耐候H型鋼熱軋龜裂的產(chǎn)生，需在成分設(shè)計過程中添加0.25%～0.40%的Ni元素，Ni不僅可改變富銅顆粒的分布，還可降低銅的富集程度。雖然富銅相仍被保留在氧化層內(nèi)，但由于鎳的溶入，富銅相中的銅含量下降，鐵在富銅相中的溶解度提高，富銅相熔點(diǎn)升高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，防止了銅在界面上富集形成液相銅[6]，因此，Ni的存在可減輕含銅鋼的熱脆性。同時，控制鑄坯加熱及軋制工藝：① 鑄坯加熱至銅的熔點(diǎn)（1 083℃）時采用快燒，盡量縮短鑄坯在1 083℃時的停留時間，同時保證爐內(nèi)為還原性氣氛；②預(yù)熱段溫度控制在≤900℃，加熱一段溫度控制在≤1 100℃，加熱二段溫度控制在1 150～1 260℃，均熱段溫度控制在1 150～1 250℃，鑄坯出爐溫度控制在1 200～1 250℃，鑄坯總加熱時長控制在3～4 h；③ 鑄坯入BD1開軋機(jī)前，必須進(jìn)行高壓水除磷，開軋溫度 1 180～1 230℃，終軋溫度 900～950℃，上冷床后進(jìn)行密排冷卻。

3.4 -40℃低溫沖擊韌性穩(wěn)定性控制

因鋼種耐腐蝕性能及強(qiáng)度的需要，添加Cu、Ni、Cr、Mn 等合金元素。 同時，Cu、Ni、Cr、Mn 的添加可提高鋼種的淬透性，Cu、Ni、Cr、Mn 元素的富集，將提高過冷奧氏體在轉(zhuǎn)變區(qū)（尤其是低溫轉(zhuǎn)變區(qū)）的穩(wěn)定性，使連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線右移，導(dǎo)致馬氏體的臨界冷速降低。

為使H型鋼4個翼緣板的-40℃低溫沖擊韌性具有良好的穩(wěn)定性，在保證耐腐蝕性能及強(qiáng)度的前提下，降低鋼種的合金元素含量，Cu、Ni、Cr按下限控制，Mn不得高于1.50%。同時，保證該鋼種組織的均勻性，組織應(yīng)為鐵素體+珠光體，避免異常組織（馬氏體、貝氏體）的產(chǎn)生。生產(chǎn)過程中，提高開軋及終軋溫度并且進(jìn)行密排冷卻，來保證H型鋼組織的穩(wěn)定性。

4 耐候H型鋼性能檢測

4.1 力學(xué)性能

耐候H型鋼力學(xué)性能檢測結(jié)果如表4所示。

表4 耐候H型鋼力學(xué)性能

由表4可以看出，4個牌號的耐候H型鋼力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求，且-40℃低溫沖擊韌性均高于標(biāo)準(zhǔn)要求；特別是含磷量較高的Q345NQR2和Q355GNH，-40℃低溫沖擊韌性均達(dá)到了50 J以上。

4.2 耐腐蝕性能

依據(jù)耐候H型鋼不同的使用工況及標(biāo)準(zhǔn)要求，選取鐵路車輛用Q345NQR2及Q420NQR1耐候H型鋼進(jìn)行周期浸潤腐蝕試驗(yàn)，選取結(jié)構(gòu)用Q355NH及Q355GNH耐候H型鋼進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)。

4.2.1 周期浸潤腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)條件和方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2375-1993，試樣規(guī)格60 mm×40 mm×5 mm，試驗(yàn)溶液為10-4mol/L NaHSO3，試驗(yàn)條件（45±2） ℃，（70±5）%RH，試驗(yàn)時間72 h。Q345NQR2的對比試樣為Q235A，Q420NQR1的對比試樣為Q345B。Q345NQR2和Q420NQR1相對腐蝕速率見表5。

表5 Q345NQR2和Q420NQR1相對腐蝕速率

由表5可以看出，Q345NQR2和Q420NQR1的相對腐蝕速率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，與同級別的普通鋼材比較，具有良好的耐大氣腐蝕性能。

4.2.2 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)

中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)按照GB/T10125-2012進(jìn)行，腐蝕周期分別為 24 h、48 h、72 h、96 h、144 h、168 h、240 h。Q355GNH和Q355NH的失重量與腐蝕時間的對應(yīng)關(guān)系見圖1，Q355GNH和Q355NH的失重速率與腐蝕時間的對應(yīng)關(guān)系見圖2。

圖1 Q355NH和Q355GNH失重量與腐蝕時間的對應(yīng)關(guān)系

圖2 Q355NH和Q355GNH失重速率與腐蝕時間的對應(yīng)關(guān)系

由圖1可以看出，隨著腐蝕時間的延長，Q355NH及Q355GNH的失重量逐漸增加；由圖2可以看出，隨著腐蝕時間的延長，Q355NH及Q355GNH的失重速率逐漸降低。因此，Q355GNH和Q355NH均具有良好的耐大氣腐蝕性能。同時，Q355GNH的失重量及失重速率均小于Q355NH，說明Q355GNH的耐腐蝕性能要優(yōu)于Q355NH。

5 結(jié)論

（1）采用異型坯生產(chǎn)耐候鋼時，連鑄過程中采用雙水口全保護(hù)澆注，選用粘度及熔點(diǎn)較高且性能較穩(wěn)定的保護(hù)渣，鋼水過熱度控制在30～35℃，二冷采用弱冷制度，鑄坯切割后及時下線緩冷等關(guān)鍵技術(shù)控制，可避免在連鑄過程中漏鋼，且有效改善鑄坯表面裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

（2）含銅H型鋼產(chǎn)品化學(xué)成分設(shè)計時，添加0.25%～0.40%的Ni元素，同時嚴(yán)格控制鋼坯加熱制度，可避免成品H型鋼表面裂紋的產(chǎn)生。

（3）耐候H型鋼成份設(shè)計時，在保證耐腐蝕性能及強(qiáng)度的前提下，盡可能降低鋼中的合金元素含量；軋制過程中，控制終軋溫度在900～950℃，并進(jìn)行控制冷卻，保證其組織均勻性，可有效改善耐候H型鋼-40℃低溫沖擊韌性的穩(wěn)定性。

鞍鋼開創(chuàng)國有鋼企銷售新模式

11月19日，鞍鋼股份市場營銷中心華東分公司通過期現(xiàn)結(jié)合銷售模式，順利完成500 t熱軋卷板的基差點(diǎn)價交易。該中心首次通過“期貨價格+基差”的方式銷售鋼材現(xiàn)貨，開創(chuàng)了國有鋼鐵企業(yè)銷售新模式。該模式真正實(shí)現(xiàn)了雙方共贏，增加了用戶與鞍鋼的黏合度。用戶是在行情下跌時點(diǎn)價，實(shí)現(xiàn)提前采購及成本鎖定。同時，鞍鋼股份市場營銷中心華東分公司在期貨市場進(jìn)行賣出套保，通過期貨平倉收益，有效規(guī)避了價格波動風(fēng)險。

——摘自“鐵諾咨詢網(wǎng)”